钛合金以其良好的力学机能和耐侵蚀机能宽泛利用于航空航天、刀兵、船舶等领域[1-5]。TA15钛合金作为一种高铝当量的近α型钛合金，其成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，拥有优良的热强性和优异焊接性[6]，在飞机机身结构和发起机叶片等均被大量使用。目前，随着设备钛合金构件向大型化、轻量化、复杂化发展[7]，其对加工造作技术提出更高的要求，选取铸造、铸造、机械加工和焊接等传统工艺步骤难以满足造作需要。电弧增材造作技术是用电弧作为热源，以金属丝材为沉积资料，逐层堆积，直接造作大型金属部件的技术，拥有成形效能高、资料利用率高、设备成本相对较低蹬着点，切合高机能大型复杂构件高效低成本造作的要求[8]。
针对TA15钛合金增材造作技术国内表学者进行大量钻研，刘祥宇等[9]钻研了激光增材造作TA15钛合金显微组织及力学机能各向异性在固溶温度下的变动法规，了局批注，降低固溶温度，柱状晶和等轴晶尺寸减幼，提高固溶温度，TA15钛合金拉伸机能各向异性降低。牟建伟等[10]钻研了激光增材衔接TA15钛合金结合区的显微组织与力学机能，了局批注，结合区显微组织与母材均为网篮组织，结合区的力学机能可达母材力学机能水平。激光增材造作技术可用于钛合金设备的整体造作与建复。王贺等[11]选取GTAW电弧增材造作技术造备了TA15/TC11梯度结构资料，并对其显微组织和力学机能进行了钻研。钻研发现，GTAW电弧增材造作TA15和TC11均为网篮组织，从TA15到TC11过渡，晶粒尺寸逐步减幼，α板条逐步变细。TA15/TC11界面处的结合强度高于TA15处的纵向强度，其横向伸长率高于TA15部门和TC11部门的横向伸长率。吴冬冬等[12]选取激规复合增材造作技术造备了TA15钛合金试样，并对其显微组织和力学机能进行了钻研。了局批注，试样的激光选区溶解区、溶解沉积区及界面过渡区均为沿沉积方向成长的β柱状晶，分歧区域内α相均出现魏氏组织特点，拉伸试样均断裂于溶解沉积区，拥有优异的综合力学机能。谷美国[13]钻研了分歧热处置造度对激光增材造作TA15钛合金显微组织和力学机能的影响。钻研发现，通常退火态为α+β超细网篮组织，双沉退火态为初生α相+超细β转变组织组成的特种双态组织。通常退火态激光增材造作TA15钛合金强度和委顿极限优于双沉退火态，但塑性和断裂韧性不及双沉退火态。郭彦梧[14]选取激光选区溶解技术，钻研了激光能量密度对TA15钛合金堆积体显微组织和力学机能的影响。钻研发现，SLM堆积体组织为针状α′马氏体，随激光能量密度增长，热循环峰值温度变动，造成针状马氏体分级景象；另表，随着能量密度增长，堆积体试样抗拉强度逐步降低，屈服强度逐步升高，伸长率逐步降低。王逸尘[15]通过电子束增材造作技术钻研了分歧工艺参数对TA15堆积体的组织和力学机能的影响。钻研了局批注，随远离基板，β晶粒逐步由等轴晶向柱状晶转变。增大增材速度，柱状晶逐步变藐幼，甚至部门趋向等轴状；随束流密度增大，试样的抗拉强度增大，强度和伸长率均达到锻件尺度。
对于TA15钛合金，钻研重要集中于激光增材造作工艺、热处置对堆积体的组织和拉伸机能的影响，对CMT电弧增材造作TA15钛合金的显微组织特点及显微组织与拉伸机能间的关系钻研较少，本文作者以CMT电弧增材造作TA15钛合金堆积体为钻研对象，钻研其显微组织和力学机能，为电弧增材造作TA15钛合金的进一步发展和利用提供理论与数据支持。
1、试验与步骤
试验用基板是尺寸为200mm×100mm×6mm的TA15钛合金板材，以直径1.2mm的TA15钛合金丝材为沉积资料，其化学成分如表1所示。
试验用CMT电弧增材造作系统如图1所示。其中机械人系统为KUKA六轴机械人，电源及送丝系统为福尼斯CMT4000advanced，图2为CMT电弧增材造作蹊径示意图。以水平打印方向为X方向，以沿增材高度方向为Z方向。增材造作工艺电流为110A，电弧电压为11.6V，焊接速度为0.96m/min，送丝速度为4m/min，焊缝宽度为20mm，层高为2mm。增材试验前，对钛合金基板表表进行打磨算帐并用丙酮擦拭，除去表层油污和氧化层。将钛合金基板置于变位机上并用夹具固定，预防增材过程基板变形。
而后装置惰性气体；ふ，并在增材前以20L/min的速度向；ふ帜谕ㄈ3min氩气以排尽；ふ帜诘目掌，随后将速度调至15L/min进行增材试验，预防较快的气流对电弧不变性造成影响。
增材实现后，用XYD-225型X射线实时成像检测系统对电弧增材造作TA15堆积体进行无损检测，用线切割从堆积体中造备水平打印方向与增材高度方向的拉伸试样及金相试样。金相试样经粗磨、精磨后抛光，使用侵蚀剂（3mLHF、30mLHNO3、67mLH2O2）侵蚀，而后用酒精洗濯并吹干。用光学显微镜（OM）和FEIQuanta250F场发射扫描电镜进行显微组织分析；用射线衍射仪（XRD）进行试样物相分析；用全能拉伸试验机进行力学机能测试，用扫描电子显微镜进行断口分析。
2、了局与会商
2.1宏观描摹
图3为CMT技术造作的TA15钛合金堆积体。尺寸为130mm×120mm×26mm。图4为TA15钛合金堆积体无损检测了局。图4堆积体顶部和中部玄色阴影为像质计留下的影像，能够发现，堆积体表表无显著气孔，内部无气孔、未熔合等缺点，成形优良。
图5为金相试样取样示意图Ｄ芄豢闯，CMT电弧增材造作TA15钛合金为粗壮的柱状晶组织。在增材凝固过程中，金属丝材在电弧作用下溶解形成熔池，在电弧活动脱离后，熔池金属冷却凝固形成新的资料沉积，在电弧增材造作过程中，熔池中绝大部门热量以热传导的方式通过基板沿垂直向下的方式消散。温度梯杜纂沉积方向相反，晶体将逆温度梯度成长，形成贯通多个沉积层的β柱状晶。
2.2物相分析
TA15堆积体的XRD图如图6所示Ｄ芄环⑾，电弧增材造作TA15钛合金堆积体中只检测到了密排六方（HCP）相的衍射峰，未发现显著β相衍射峰，批注电弧增材造作TA15钛合金堆积体重要为α相。
2.3显微组织
图7、8别离为电弧增材造作TA15钛合金的光学显微镜（OM）和扫描电镜图。
能够看出，电弧增材造作TA15钛合金组织重要由针状α-Ti互订交错形成的网篮组织及少量沿β晶界的天堑析出的取向一致、大长宽比的α-Ti荟萃而成的片层组织组成。用ImageJ图像分析软件对合金各相进行体积分数测定，测得α相体积分数约为72.47%。
在增材过程中，熔池结尾随焊枪向前活动而起头凝固，当熔池金属的温度降到β相变点以下时，初生α相率先在晶界处形核且向晶界内长大，沿晶界α相长大为相互平行的α片层，该组织拥有较大的长宽比，而较快的冷却速度使得晶内分歧位向的α形核率较高，α束集尺寸较幼，α片层变短且互订交错，形成网篮组织。
2.4力学机能分析
图9为CMT电弧增材造作TA15钛合金试样的室温拉伸应力-应变曲线。沿水平打印方向（X方向）的室温抗拉强度为976MPa，屈服强度为881MPa，断后伸长率为7%。沿增材高度方向（Z方向）的室温抗拉强度为964MPa，屈服强度为868MPa，断后伸长率为12.5%。堆积体在X与Z方向的抗拉强度相差幼，而Z方向的断后伸长率则优于X方向。两个方向的断后伸长率的差距可能与表延成长的粗壮柱状晶和晶界处陆续的α相有关，水平打印方向（X方向）的拉伸试样在变形过程中，晶界α相险些与拉伸方向垂直，裂纹更易在晶界处形成，并沿晶界扩大，导致其断后伸长率低于增材高度方向（Z方向）[16]。
图10为电弧增材造作TA15钛合金水平打印方向和增材高度方向的拉伸断口描摹Ｄ芄豢吹，沿增材高度方向（Z方向）拉伸试样的韧窝数量多且深度大，而水平打印方向（X方向）拉伸试样的断口描摹中韧窝较浅，批注在拉伸载荷下电弧增材造作TA15钛合金沿增材高度方向（Z方向）拥有更好的塑性变形能力。
3、结论
1）选取CMT电弧增材造作技术造备的TA15钛合金堆积体表表无显著气孔，内部无气孔、未熔合等缺点，成形优良。堆积体试样宏观组织为表延成长的粗壮原始β柱状晶。
2）电弧增材造作TA15钛合金堆积体重要为α相，其体积分数约为72.47%，组织重要由针状α-Ti互订交错形成的网篮组织及少量沿β晶界的天堑析出的取向一致、大长宽比的α-Ti荟萃而成的片层组织组成。
3）CMT电弧增材造作TA15钛合金堆积体X方向与Z方向的抗拉强度、屈服强度相差幼，而Z方向的断后伸长率则优于X方向。
4、参考文件
[1]郭鲤，何伟霞，周鹏，等.我国钛脊合金产品的钻研近况及发展远景[J].热加工工艺，2020，49（22）：22-28.
GUOLi，HEWeixia，ZHOUPeng，etal.ResearchstatusanddevelopmentprospectoftitaniumandtitaniumalloyproductsinChina[J].HotWorkingTechnology，2020，49（22）：22-28.（inChinese）
[2]周松，查涛，回丽，等.激光沉积建复TA15钛合金断裂韧度钻研[J].罕见金属资料与工程，2021，50（7）：2528-2535.
ZHOUSong，ZHATao，HUILi，etal.FracturetoughnessstudyofTA15titaniumalloyrepairedbylaserdeposition[J].RareMetalMaterialsandEngineering，2021，50（7）：2528-2535.（inChinese）
[3]张亚峰，张明玉，于成泉，等.工业出产TA15钛合金的组织与拉伸机能分析[J].世界有色金属，2022，605（17）：10-12.
ZHANGYafeng，ZHANGMingyu，YUChengquan，etal.Mi‐crostructureandtensilepropertiesofindustrialTA15titaniumalloy[J].WorldNonferrousMetals，2022，605（17）：10-12.（inChinese）
[4]MAXiaozhao，XIANGZhilei，LITao，etal.Evolutionlawsofmicrostructuresandmechanicalpropertiesduringheattreat‐mentsfornear‐αhigh‐temperaturetitaniumalloys[J].Interna‐tionalJournalofMinerals，MetallurgyandMaterials，2022，29（8）：1596-1607.
[5]WANGF，LEILM，FUX，etal.TowarddevelopingTialloyswithhighfatiguecrackgrowthresistancebyadditivemanufac‐turing[J].JournalofMaterialsScience&Technology，2023，132（1）：166-178.
[6]舒勇.基于DEFORM-3D的TA15钛合金高筋锻件铸造工艺分析[J].铸造与冲压，2022（19）：50-54.
SHUYong.StudyofforgingprocessofhighwebforgingofTA15titaniumalloybasedonDEEORM‐3D[J].Forging&Metalforming，2022（19）：50-54.（inChinese）
[7]李权，王福德，王国庆，等.航空航天轻质金属资料电弧熔丝增材造作技术[J].航空造作技术，2018，61（3）：74-82.
LIQuan，WANGFude，WANGGuoqing，etal.Wireandarcadditivemanufacturingoflightweightmetalcomponentsinaeronauticsandastronautics[J].AeronauticalManufacturingTechnology，2018，61（3）：74-82.（inChinese）
[8]郭艳华，戴国庆，孙中刚，等.激光增材造作钛合金冶金组织特点及其调控步骤钻研进展[J].罕见金属资料与工程，2022，51（12）：4733-4744.
GUOYanhua，DAIGuoqing，SUNZhonggang，etal.Researchprogressofmetallurgicalstructurecharacteristicsandcontrolmethodsoflaseradditivemanufacturingtitaniumalloys[J].RareMetalMaterialsandEngineering，2022，51（12）：4733-4744.（inChinese）
[9]刘祥宇，王辰阳，徐国建，等.固溶温度对激光增材造作TA15组织与机能的影响[J/OL].热加工工艺：1-5[2023-03-03].https：//doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20211703.
LIUXiangyu，WANGChenyang，XUGuojian，etal.EffectsofsolutiontemperatureonmicrostructureandpropertiesofTA15fabricatedbylaseradditivemanufacturing[J/OL].HotWork‐ingTechnology：1-5[2023-03-03].https：//doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20211703.（inChinese）
[10]牟建伟，于传军，汤海波，等.激光增材衔接TA15钛合金显微组织及力学机能钻研[J/OL].中国激光：1-12[2023-03-06].
http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1339.TN.20230209.1633.018.html.
MOUJianwei，YUChuanjun，TANGHaibo，etal.Studyonmi‐crostructureandmechanicalpropertiesofTA15titaniumalloybylaseradditivejoining[J/OL].ChineseJournalofLasers：1-12[2023-03-06].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1339.TN.20230209.1633.018.html.（inChinese）
[11]WANGHe，MAShuyuan，WANGJiachen，etal.Microstruc‐tureandmechanicalpropertiesofTA15/TC11gradedstructur‐almaterialbywirearcadditivemanufacturingprocess[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina，2021，31（8）：2323-2335.
[12]吴冬冬，钱远宏，李明亮，等.激规复合增材造作TA15钛合金组织与拉伸机能钻研[J].利用激光，2020，40（4）：615-620.
WUDongdong，QIANYuanhong，LIMingliang，etal.StudyonmicrostructureandtensilepropertiesofTA15titaniumalloybylaserhybridadditivemanufacturing[J].AppliedLaser，2020，40（4）：615-620.（inChinese）
[13]谷美国.热处置造度对激光增材造作TA15钛合金力学机能的影响[J].航空造作技术，2021，64（3）：97-102.
GUMeibang.Influenceofheattreatmentonmechanicalprop‐ertiesofTA15titaniumalloyfabricatedbylaseradditiveman‐ufacturing[J].AeronauticalManufacturingTechnology，2021，64（3）：97-102.（inChinese）
[14]郭彦梧.激光选区溶解成形TA15钛合金工艺机能钻研[D].北京：北京工业大学，2019.
GUOYanwu.StudyonthetechnologicalpropertiesofTA15ti‐taniumalloybyselectivelasermelting[D].Beijing：BeijingUniversityofTechnology，2019.（inChinese）
[15]王逸尘.电子束熔丝沉积TA15合金组织演化法规和机能钻研[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.
WANGYichen.MicrostructureevolutionandpropertiesofTA15alloyfabricatedbyelectronbeamfreeformfabrication[D].Harbin：HarbinInstituteofTechnology，2021.（inChi‐nese）
[16]BAUFELDB，BRANDLE，BIESTO.Wirebasedadditivelay‐ermanufacturing：Comparisonofmicrostructureandmechani‐calpropertiesofTi‐6Al‐4Vcomponentsfabricatedbylaser‐beamdepositionandshapedmetaldeposition[J].JournalofMaterialsProcessingTech，2011，211（6）：1146-1158.
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